输电杆塔快速建模分析时荷载的简化取值

输电杆塔快速建模分析时荷载的简化取值

张博1马杰2张璐3艾文君1

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院河南郑州450052；2.国网河南省电力公司经济技术研究院河南郑州450052；3.国网河南省电力公司电力科学研究院河南南阳473000）

摘要：目前国内外围绕输电杆塔结构安全开展的研究越来越多。但是由于输电杆塔自身结构复杂、承受荷载的种类繁多等因素，关于输电杆塔建模分析过程一般较为缓慢，工程中急需建立一种便捷高效、适合工程应用的输电线路快速建模的方法。本文围绕输电杆塔荷载快速建模与计算的主题，以典型500kV耐张塔为例，在分析计算的基础上，总结分析了各类静垂直荷载、横水平荷载、纵水平荷载荷载相对关系，明确提出了快速建模计算时需要重点考虑的荷载要素，为工程应用提供了指导。

关键词：输电杆塔；荷载；简化取值

1引言

输电线路杆塔是输电网络中最关键的设备之一，其安全稳定运行直接关系到电网的安全可靠供电。但是随着恶劣气候现象的增加和电网规模的扩大，输电杆塔故障频发[1-3]。近年来，国内外围绕输电杆塔结构安全开展的研究越来越多。这些相关研究课题很多涉及输电杆塔建模分析[3，4]。但是由于输电杆塔自身结构复杂、承受荷载的种类繁多等因素，关于输电杆塔建模分析过程一般较为缓慢，工程中急需建立一种便捷高效、适合工程应用的输电线路快速建模的方法。本文围绕输电杆塔荷载快速建模与计算的主题，在分析计算的基础上，总结分析了影响杆塔承载的关键要素，以期工程应用提供了指导。

2输电杆塔荷载分类

根据设计过程中荷载计算需要，杆塔承受的荷载一般可分解为作用在杆塔上的垂直荷载（垂直荷载是垂直于地面方向的荷载）、横向水平荷载（平行杆塔平面即沿横担方向）、纵向水平荷载（垂直杆塔平面即垂直横担方向）。

①垂直荷载包括：杆塔自重荷载；导线、地线、绝缘子串和金具的重量；安装、检修时的垂直荷载（包括工人、工具及附件等重量）。

②横向水平荷载包括：杆塔塔身风荷载；导线、地线、绝缘子串和金具的风荷载；转角杆塔的导线及地线的角度力。

③纵向水平荷载包括：导线、地线的不平衡张力（对无转角的杆塔不平衡张力为顺线路方向，对有转角的杆塔不平衡张力则与杆塔横担垂直）；导线、地线的断线张力和断导线时地线对杆塔产生的支持力；安装导线时的紧线张力。

3各种杆塔荷载的对比分析

3.1对比工况

为直观反映各种杆塔荷载的相对关系，本文以一种典型的500kV线路杆塔（CJ1-30型）为例，计算分析了该杆塔在连接两种典型档距的情况下（小号侧档距268米，垂直档距分量为140m；大号侧档距429米，垂直档距分量为411m）不同荷载的之间的相关关系[5-7]。导线类型为6×LGJ-300/40。

3.2静垂直荷载

根据载荷计算结果，可以发现如下规律：

当线路无冰且档距较小时（如垂直档距140m），500kV六分裂线路的绝缘子重量占比很大，可以接近甚至超过50%；当线路无冰且档距较大时（如垂直档距411m），绝缘子重量占比依然较大，可以到达25.6%。对于500kV四分裂线路，绝缘子重量的占比将进一步增加。当考虑覆冰载荷后，绝缘子重量占比会急剧减小，甚至可以忽略。

无冰条件下导线和地线重量在一端耐张塔上表现的垂直载荷虽然与档距（垂直档距）与直接关系，但是即便是垂直档距达到411m，导线和地线的自重占比也没有超过杆塔垂直载荷的60%；对于常规500kV四分裂导线而言，这一占比将略低。在考虑覆冰条件下，导地线和覆冰重量将占垂直载荷主体。

因此，对于快速建模时的静垂直荷载简化取值建议仅考虑导线和地线的自重、覆冰和考虑覆冰系数的绝缘子重量，其它连接金具、附件和复合绝缘子可以忽略，即：杆塔垂直载荷=（导线自重+导线覆冰+地线自重+地线覆冰+考虑覆冰系数的绝缘子重量）。

（2）动张力荷载

比较显著的导线动态荷载主要指舞动引起的导线张力的动态变化。一般将导线舞动动态张力变化分量与导线静态分量分离后单独讨论，并定义导线动张力系数=导线舞动动态张力分量&pide;导线静态张力分量×100%。

这里选用风速为10m/s，覆冰厚度为5mm，导线静态拉力取计算拉断力的25%；为档距，即268m。根据动张力表达式，可以发现如果导线发生单半波舞动，即使舞动峰峰值仅有2m时，导线动张力系数即可达到0.54。在分析杆塔的荷载时，导线的动态张力荷载不可忽略。

4小结

通过对典型杆塔和典型工况条件下杆塔的各种荷载的计算和对比分析，总结杆塔荷载快速建模计算可做如下简化：

（1）静垂直荷载简化取值可仅考虑导线和地线的自重、覆冰和考虑覆冰系数的绝缘子重量，其它连接金具、附件和复合绝缘子可以忽略。

（2）横水平荷载简化取值可仅考虑导线和杆塔本身的覆冰或无冰情况下的风荷载，绝缘子、连接金具、附件的风载荷可以忽略。

（3）导地线的静态不平衡张力涉及因素较多，需要经过计算后才可确定其荷载大小。导线的动态张力荷载不可忽略，需要详细计算。

参考文献：

[1].国家电网公司运维检修部组.输电线路六防工作手册-防风害[M].北京：中国电力出版社，2015

[2].胡毅.输电线路运行故障分析与防治[M].北京：中国电力出版社，2007

[3].谢强，张勇，李杰.华北电网500kV任上5237线飑线风致倒塔事故调查分[J].电网技术，2006，30（10）59-63

[4].王丽新.输电线路静平衡及动力响应的有限元分析[D].武汉：华中科技大学，2004.

[5].张殿生.电力工程高压送电线路设计手册.北京：中国电力出版社，2003

[6].周振山.高压架空送电线路机械计算[M].北京：水利电力出版社，1984.

[7].刘庆丰.输电线路不平衡张力分析和计算[J].2006，26（01）：93-95.

[8].朱宽军，刘超群，任西春.架空输电线路舞动时导线动态张力分析[J].中国电力，2005，38（10）：40-44.

作者简介：

张博（1985.1-），男，河南南阳人，华北电力大学硕士，工程师，单位：国网河南省电力公司电力科学研究院，研究方向：输电线路运维、输电线路舞动防治技术。